Per celebrare l’anno internazionale della tavola periodica degli elementi chimici, diamo un’occhiata a come i ricercatori studiano alcuni degli elementi nel loro lavoro.
Oggi è il titanio, un metallo noto per la sua forza e leggerezza, ideale per realizzare anche, ginocchia e altre parti del nostro corpo, ma è usato anche in altre industrie.
Il titanio prende il nome dai Titani dell’antica mitologia greca, ma questo materiale assolutamente moderno è adatto a una vasta gamma di applicazioni high-tech.
Con il simbolo chimico Ti e un numero atomico di 22, il titanio è un metallo color argento apprezzato per la sua bassa densità, l’alta resistenza e la resistenza alla corrosione.
Ho studiato per la prima volta il titanio con un master all’Istituto di ricerca sui metalli dell’Accademia cinese delle scienze nel 1999. Uno dei miei progetti era quello di studiare la formazione di leghe di titanio per le loro caratteristiche di alta resistenza.
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Da allora, le applicazioni di questo metallo sono cresciute esponenzialmente, dal suo uso (come biossido di titanio) in vernici, carta, dentifricio, creme solari e cosmetici, fino al suo utilizzo come lega in impianti biomedici e innovazioni aerospaziali.
Particolarmente eccitante è il matrimonio perfetto tra titanio e stampa 3D.
Design personalizzato dalla stampa 3D
I materiali in titanio sono costosi e possono essere problematici quando si tratta di tecnologie di lavorazione tradizionali. Per esempio, il suo alto punto di fusione (1.670℃, molto più alto delle leghe di acciaio) è una sfida.
La precisione relativamente a basso costo della stampa 3D è quindi un game-changer per il titanio. La stampa 3D è quella in cui un oggetto viene costruito strato per strato e i designer possono creare forme sorprendenti.
Questo permette la produzione di forme complesse come le parti di ricambio di un osso della mascella, del tallone, dell’anca, gli impianti dentali o le piastre per la cranioplastica in chirurgia. Può anche essere usato per fare mazze da golf e componenti di aerei.
Il CSIRO sta lavorando con l’industria per sviluppare nuove tecnologie nella stampa 3D usando il titanio.
I progressi nella stampa 3D stanno aprendo nuove strade per migliorare ulteriormente la funzione degli impianti personalizzati di bodypart in titanio.
Tali impianti possono essere progettati per essere porosi, rendendoli più leggeri ma permettendo al sangue, ai nutrienti e ai nervi di passare attraverso e possono anche promuovere la crescita dell’osso.
Sicuro nel corpo
Il titanio è considerato il metallo più biocompatibile – non dannoso o tossico per i tessuti viventi – grazie alla sua resistenza alla corrosione dei fluidi corporei. Questa capacità di resistere al duro ambiente corporeo è il risultato della pellicola protettiva di ossido che si forma naturalmente in presenza di ossigeno.
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La sua capacità di legarsi fisicamente all’osso dà al titanio anche un vantaggio rispetto ad altri materiali che richiedono l’uso di un adesivo per rimanere attaccati. Gli impianti in titanio durano più a lungo, e sono necessarie forze molto maggiori per rompere i legami che li uniscono al corpo rispetto alle loro alternative.
Le leghe di titanio comunemente usate negli impianti portanti sono significativamente meno rigide – e più vicine, come prestazioni, all’osso umano – dell’acciaio inossidabile o delle leghe a base di cobalto.
Applicazioni aerospaziali
Il titanio pesa circa la metà dell’acciaio ma è il 30% più forte, il che lo rende ideale per l’industria aerospaziale dove ogni grammo conta.
Nella fine degli anni ’40 il governo degli Stati Uniti ha contribuito a far partire la produzione di titanio perché poteva vedere il suo potenziale per “aerei, missili, veicoli spaziali e altri scopi militari”.
Il titanio è diventato sempre più il materiale di acquisto per i progettisti di aerei che cercano di sviluppare aerei più veloci, più leggeri e più efficienti.
Circa il 39% dell’F22 Raptor della US Air Force, uno dei più avanzati aerei da combattimento del mondo, è fatto di titanio.
L’aviazione civile si è mossa nella stessa direzione con il nuovo 787 Dreamliner della Boeing fatto del 15% di titanio, molto più dei modelli precedenti. Il carrello di atterraggio deve resistere alle massicce forze esercitate su di esso ogni volta che un aereo colpisce una pista.
La durezza del titanio significa che può assorbire le enormi quantità di energia espulsa quando un aereo atterra senza mai indebolirsi.
La resistenza al calore del titanio significa che può essere usato all’interno dei moderni motori a reazione, dove le temperature possono raggiungere gli 800℃. L’acciaio comincia ad ammorbidirsi a circa 400 ℃, ma il titanio può sopportare il calore intenso di un motore a reazione senza perdere la sua forza.
Dove trovare il titanio
Al suo stato naturale, il titanio si trova sempre legato ad altri elementi, di solito all’interno di rocce ignee e sedimenti da esse derivati.
I materiali più comunemente estratti che contengono titanio sono l’ilmenite (un ossido di ferro-titanio, FeTiO3) e il rutilo (un ossido di titanio, TiO2).
L’ilmenite è più abbondante in Cina, mentre l’Australia ha la più alta percentuale globale di rutilo, circa il 40% secondo Geoscience Australia. Si trova soprattutto sulle coste orientali, occidentali e meridionali dell’Australia.
Entrambi i materiali vengono generalmente estratti dalle sabbie, dopo di che il titanio viene separato dagli altri minerali.
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L’Australia è uno dei principali produttori mondiali di titanio, con più di 1,5 milioni di tonnellate prodotte nel 2014. Il Sudafrica e la Cina sono i prossimi due principali produttori di titanio, con 1,16 e 1 milione di tonnellate, rispettivamente.
Essendo tra i primi dieci elementi più abbondanti nella crosta terrestre, le risorse di titanio non sono attualmente in pericolo – una buona notizia per i molti scienziati e innovatori costantemente alla ricerca di nuovi modi per migliorare la vita con il titanio.
Se sei un ricercatore accademico che lavora con un particolare elemento della tavola periodica e hai una storia interessante da raccontare, allora perché non contattarci.